專利名稱：用于濺鍍鍍膜的陽極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及在襯底上沉淀膜的裝置和方法，尤其涉及一種用于將材料沉淀到襯底上的反應(yīng)磁控濺鍍裝置和技術(shù)，在所述裝置和技術(shù)中，所沉淀的膜具有預(yù)定的厚度分布，且所述裝置可連續(xù)和重復(fù)的操作非常長的時間。
背景技術(shù)：
在濺鍍法中，離子一般由輝光放電中的氣體原子和電子之間的碰撞所產(chǎn)生。這些離子由電場加速到靶陰極之中并導(dǎo)致所述靶材料的原子從所述陰極表面噴射出。襯底放置在適當(dāng)?shù)奈恢靡允蛊浣厝∷鶉娚涑龅脑拥囊徊糠?。因此，靶材料鍍膜就沉淀在所述襯底的表面上。
濺鍍鍍膜是一項(xiàng)廣泛應(yīng)用的技術(shù)，用于在襯底上沉淀材料薄膜。濺鍍是由于氣體離子轟擊靶而導(dǎo)致的材料從靶上的物理噴射。在這種技術(shù)的一種形式，即已知的DC濺鍍中，形成于陽極和靶陰極之間的由等離子體放電所產(chǎn)生的正離子被吸引到所述靶陰極并撞擊所述靶陰極，將原子從陰極的靶表面撞出，因而提供原子。一些撞出的原子撞擊所述襯底的表面并形成鍍膜。在反應(yīng)濺鍍中，氣態(tài)類物質(zhì)也出現(xiàn)在所述襯底表面并與來自所述靶表面的原子發(fā)生反應(yīng)，在一些實(shí)施例中是與這些原子結(jié)合，以形成理想的鍍膜材料。
所濺鍍的材料也沉淀在暴露給所述濺鍍原子的其它任何表面上。在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)認(rèn)識到若所述鍍膜是電氣絕緣材料，如金屬氧化物，那么在濺鍍裝置的其它部分上的材料的聚積就會造成問題。尤其是在所述陽極上形成絕緣鍍膜會干擾所述陽極從所述等離子體除去電子的能力，而這種除去電子的能力是保持所述等離子體的電荷平衡所要求的。這就破壞了所述等離子體的穩(wěn)定性并干擾了沉淀控制。因此，一般采用不同的濺鍍技術(shù)來沉淀絕緣材料層，如RF濺鍍。不過，與DC濺鍍相比，RF濺鍍是一種效率更低、可控性更差、速度更慢且成本更高的方法。
在操作中，當(dāng)使氬進(jìn)入鍍膜腔時，加在所述靶陰極與所述陽極之間的DC電壓將所述氬電離以形成等離子體，且所述正電荷氬離子被吸引到所述負(fù)電荷靶。所述離子用大量的能量撞擊所述靶并導(dǎo)致靶原子或原子團(tuán)從所述靶濺出。所述濺出的靶材料中的一些撞擊要進(jìn)行鍍膜的晶片或襯底材料并沉淀在所述晶片或襯底材料上，因此就形成了膜。
為了獲得增加的沉淀速度并降低操作壓力，目前已采用了提高磁性的靶。在平面磁控管中，所述陰極包括永磁體，所述永磁體以閉環(huán)方式布置，并安裝于與平的靶板相對固定的位置處。所產(chǎn)生的磁場導(dǎo)致電子在閉環(huán)內(nèi)移動，所述閉環(huán)一般稱為“跑道”，所述跑道建立了一個通道或區(qū)域，靶材料的濺鍍或腐蝕沿著這個通道或區(qū)域發(fā)生。在磁控陰極中，磁場約束所述輝光放電等離子體并增加所述電子在電場的影響下移動的路徑的長度。這就會導(dǎo)致在所述氣體中原子與電子的碰撞幾率的增加，從而導(dǎo)致比沒有使用磁約束所獲得的濺鍍速度高得多的濺鍍速度。而且所述濺鍍方法也可以以低得多的氣體壓力來實(shí)現(xiàn)。
正如在前面所提到的那樣，在DC反應(yīng)濺鍍中，反應(yīng)氣體與從所述靶板濺鍍的材料形成化合物。當(dāng)所述靶板是硅且所述反應(yīng)氣體是氧時，在所述襯底的表面上就形成二氧化硅。不過，由于二氧化硅是一種良好的絕緣體，所以足夠厚以產(chǎn)生電弧的膜就在所述靶表面上的區(qū)域中和在其他附近的表面上迅速形成，所述區(qū)域位于所述跑道之外，所述其他附近的表面例如位于電氣接地的暗區(qū)屏蔽(dark space shield)上。眾所周知，由于這種特性，二氧化硅是最難以通過磁控反應(yīng)濺鍍進(jìn)行沉淀的電介質(zhì)膜之一。與二氧化硅有關(guān)的電弧已經(jīng)阻礙了平面磁控反應(yīng)濺鍍有效地用于沉淀高質(zhì)量的二氧化硅膜。本發(fā)明的一個方面提供一種經(jīng)過涂覆的陰極，這種陰極的側(cè)面和底部表面用電介質(zhì)進(jìn)行涂覆，以減少或防止電弧。
在操作時，由于電介質(zhì)材料在所述鍍膜腔的不同的內(nèi)表面上聚積，所以一直以來必須對所述系統(tǒng)進(jìn)行定期的清潔。實(shí)際上，在用反應(yīng)濺鍍來涂覆二氧化硅或氮化硅時，典型的系統(tǒng)只能夠連續(xù)地運(yùn)行相對較短的時間。
最后，平面的和圓柱形的磁控管用在反應(yīng)或非反應(yīng)濺鍍中的另一個限制是，通過濺鍍而沉淀的膜并沒有達(dá)到許多精密的用途中所要求的高度的均勻性或可重復(fù)性。
為改進(jìn)磁控濺鍍系統(tǒng)的這些并不想要的效果已做了許多嘗試。例如，“洗瓶刷”陽極已在美國專利No.5,683,558中提出并進(jìn)行了描述，該專利的專利權(quán)人是Sieck等人且在1997年11月4日公告。這類陽極提供了一種有益的大的表面，但是，根據(jù)它相對于所述靶的位置，它會隨著時間的推移而變得不均勻涂覆，并導(dǎo)致所述陽極移向所述沉淀系統(tǒng)中的其它表面。此外，刷針之間的距離非常近且常常導(dǎo)致陽極電壓的升高，尤其是在低的壓力下。
對陽極板和環(huán)設(shè)計也已進(jìn)行了描述，如發(fā)明人為F.Howard等人、受讓人為PPG實(shí)業(yè)公司，發(fā)明名稱為“用于磁性濺鍍裝置的陽極”的美國專利No.4,478,702和發(fā)明名稱為“用于漸變膜的磁性濺鍍的陽極”的美國專利No.4,744,880，以及P.Sieck在SVC第37屆年度技術(shù)大會年報第233頁(1994年)發(fā)表的“對于長的可轉(zhuǎn)動磁控管、陽極位置對沉淀形狀的影響”。
由J.R.Doyle等人在J.Vac.Sci.Technol.A12，886(1994年)所描述的陽極板和環(huán)設(shè)計是使用最廣泛的陽極設(shè)計。所述陽極典型地非常接近于所述陰極以使陽極到陰極等離子體能夠充分耦合。在大多數(shù)情況下，所述氣體入口接近于靶表面，以局部地提高靶壓力。在大多數(shù)時間，所述陽極表面也接近于該位置，這就增加了等離子體耦合并降低了陽極電壓。但令人遺憾的是，這些類型的陽極的位置不能夠在陰極后面太遠(yuǎn)，因?yàn)檫@些電子在去往所述陽極時必須得穿過磁力線，這樣就會增加高的阻抗并升高所述陽極電壓。另一方面，使所述陽極接近于所述陰極表面增加了所述陽極的被濺鍍材料涂覆的敏感性，因而就會使所述陽極不穩(wěn)定。
已知將所述陽極放置在距其它的等離子源非常接近的位置，這些等離子源位于所述陰極的直視線之外。這種方法對相對較薄的鍍膜有用，如小于5μm的鍍膜，但對較厚的膜來說，由于氣體散射的原因，所述陽極也會被涂覆。這樣就必須對這些陽極進(jìn)行經(jīng)常性的更換，因此就增加了鍍膜批次并增加了成本。
上述的這些方法的一個缺陷是這些陽極的尺寸必須得相對較大以在相當(dāng)?shù)偷碾妷合鹿ぷ?。這種大的尺寸導(dǎo)致所述陽極表面被不均勻污染，并導(dǎo)致濺鍍分布中的變化。而且，大的陽極還不得不放置在空間一般比較稀缺的鍍膜腔內(nèi)。
像絲一樣的小的陽極是現(xiàn)有技術(shù)中的另一種形式的陽極。這種陽極要求相對較高的電壓，如大于70V，這樣就典型地導(dǎo)致在所述陽極的表面或所述陽極附近的表面的并不希望的濺鍍。所述陽極必須得放在離所述陰極非常近的位置以進(jìn)行充分的耦合。此外，所述磁控管的大的變化一般必須通過對接近于陽極的磁場進(jìn)行分流來完成。
雙磁控AC濺鍍已由S.Schiller、K.Goedicke、V.Kirchhoff和T.Kopte在“脈沖技術(shù)—磁控濺鍍的新時代”一文中提出，這篇文章在SVC第38屆年度技術(shù)大會(1995年)上發(fā)表。
這種方法從本質(zhì)上解決了前面所描述的現(xiàn)有技術(shù)中的移動陽極和漸失陽極(disappearing anode)的問題，但濺鍍速度一般較低且AC濺鍍需要較高的壓力，以在約900V或更高的適當(dāng)?shù)年帢O電壓時運(yùn)行。這就增加了所述濺鍍材料的氣體散射并增加了所沉淀的膜中的缺陷的產(chǎn)生。但即便是在“低的”平均電壓的情況下，所述方法中的峰值電壓也非常高且往往高于1000V，從而導(dǎo)致所述鍍膜中壓縮應(yīng)力的增加。所述高電壓由在每個陰極每半個周期點(diǎn)燃所述等離子體所導(dǎo)致。
解決所述陽極問題的雙陽極磁控濺鍍的最新方法采用雙陽極AC結(jié)構(gòu)。基本的試驗(yàn)表明所述陽極必須得高度耦合到所述陰極等離子體中。因此，它們必須放置得離所述陰極非常地近。由于所述陽極的負(fù)電壓非常高，所以這就導(dǎo)致在清潔周期期間內(nèi)來自所述陽極的濺鍍。在互聯(lián)網(wǎng)上的以下網(wǎng)httphttp//www.advanced-energy.com/upload/white2.pdf發(fā)表的題為“冗余陽極濺鍍解決漸失陽極問題的新方法”的文章中，提到了雙陰極AC濺鍍的幾個缺陷。
由于陽極一般接近于靶，所以所述陽極就暴露在涂覆材料中。在實(shí)踐中，在許多現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中，陽極必須得進(jìn)行經(jīng)常性的定期更換或清潔。即便是當(dāng)陽極位于所述濺鍍材料流的直視線之外時，所述陽極也會由于涂覆材料的氣體散射而被涂覆。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的在于提供一種屏蔽非常好的陽極，以免受涂覆材料的影響。提供這樣的陽極會使濺鍍過程尤其是非常厚的鍍膜的濺鍍過程更穩(wěn)定，并減少或免除了對所述陽極的維護(hù)。這就減少了涂覆襯底時的周期時間并降低了勞動力成本。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種陽極，這種陽極可被加壓，且需要的電壓比許多現(xiàn)有技術(shù)中的陽極需要的低。雖然所述陽極可被加壓，但它是在真空下在腔內(nèi)運(yùn)行或與所述腔相互聯(lián)系。
本發(fā)明的再一個目的在于提供一種陽極，在所述陽極或其附近沒有電弧發(fā)生。
本發(fā)明的另一個主要目的在于提供一種與本發(fā)明中的陽極一起使用的優(yōu)選陰極。
本發(fā)明的再一個目的在于提供一種新型磁控陰極，所述磁控陰極的一些側(cè)面用電氣絕緣材料涂覆，如電介質(zhì)材料。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于材料濺鍍的濺鍍裝置陽極，包括至少一個陽極，所述陽極限定了一個容器，所述容器具有一個朝向?qū)щ妰?nèi)體的開口并具有一個外體，所述導(dǎo)電內(nèi)體耦合到電壓源，以提供所述濺鍍材料與所述導(dǎo)電內(nèi)體之間的電壓差。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種用于材料濺鍍的濺鍍裝置陽極，包括至少一個陽極，所述陽極限定了一個容器，所述容器具有一個導(dǎo)電內(nèi)體和一個外體，所述導(dǎo)電內(nèi)體耦合到電壓源，以向所述內(nèi)體提供電壓。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種包括陰極的鍍膜腔，所述鍍膜腔與陽極的末端的開口相互聯(lián)系，所述陽極的形式是一個容器。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種具有第一和第二端表面以及一個或多個側(cè)面表面的濺鍍陰極，所述陰極具有放置在其中的多個磁體，所述多個磁體相互鄰接，至少一個磁體具有N-S極，所述N-S極分別面對第一和第二端表面，且至少一個磁體具有S-N極，所述S-N極分別面對所述陰極的第一和第二端表面，以使磁力線從一個磁體的N極延伸到另一個磁體的S極，所述另一個磁體的S極延伸并穿過所述陰極的第一端表面，其中所述一個或多個側(cè)面表面或所述一個或多個側(cè)面表面的一部分用電絕緣材料涂覆以避免電弧，且所述陰極的第一端表面支撐要進(jìn)行濺鍍的材料。
根據(jù)本發(fā)明，還提供一種磁控濺鍍陰極裝置，包括真空鍍膜腔；放置在所述鍍膜腔中的襯底保持構(gòu)件，所述襯底保持構(gòu)件用于安裝襯底，膜沉淀在所述襯底上；與所述襯底相對放置的至少一個磁控陰極，所述磁控陰極有一個平面靶，所述靶用于將所述膜沉淀在所述襯底的表面上；向所述真空鍍膜腔的內(nèi)部提供氣體的氣體控制系統(tǒng)；向所述磁控陰極提供電源的電源系統(tǒng)；其中所述磁控陰極具有第一端表面、第二端表面和側(cè)面表面，且其中所述磁控陰極包括磁體組件，多個磁體單元的N極和S極相對放置在所述磁體裝置中且彼此相鄰，其中所述陰極的第二端表面和側(cè)面表面用電絕緣涂料涂覆，以避免電弧。
應(yīng)能夠理解，雖然優(yōu)選與所述襯底相對放置的所述至少一個磁控陰極面對所述襯底并與之平行，但所述相對關(guān)系可包括所述磁控陰極并非與所述襯底成180度的角度并與之平行。例如，所述磁控陰極與所述襯底彼此可以成90度的角度。重要的是所述磁控陰極的上濺鍍表面在一個或多個有待涂覆的襯底的視線范圍內(nèi)。這一點(diǎn)在

圖12中示出，在圖12中，三個襯底120、121和122排列在所述陰極124濺鍍表面的視線范圍內(nèi)，以使所述材料126沉淀在所述襯底表面上。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種磁控陰極鍍膜裝置，所述鍍膜裝置包括鍍膜腔，所述鍍膜腔包括陰極，所述陰極有一個用電絕緣材料涂覆的部分，以避免并不想要的電弧，所述鍍膜腔與陽極的末端的開口相互聯(lián)系，所述陽極的形式是一個容器。
附圖簡述[33]在此將結(jié)合附圖對本發(fā)明的示范性實(shí)施例進(jìn)行描述，在這些附圖中[34]圖1a是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的鍍膜腔的一小部分的截面圖，所述部分包括圓柱形的中空陽極，所述陽極具有長度h、直徑d和孔口do，所述孔口do位于所述陽極的一個末端并耦合到所述鍍膜腔中的一個開口；[35]圖1b是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的鍍膜腔的截面圖，所述鍍膜腔包括圓柱形的中空陽極，所述陽極具有長度h、直徑d和孔口do，所述孔口do位于所述陽極的一個末端，所述陽極位于所述鍍膜腔內(nèi)；[36]圖1c是所述陽極的一個可供選擇的實(shí)施例，其中所述陽極的開口位于其一個側(cè)面或其一個末端；[37]圖2是示出了陽極電壓與所述陽極的尺寸的相關(guān)性的曲線圖；[38]圖3是示出了所述陽極電壓對距離的影響的曲線圖，所述距離是接地表面與所述帶電陽極(powered anode)的距離；[39]圖4是示出了壓力與所述陽極電壓的相關(guān)性的曲線圖，其中雙頭箭頭表明典型的濺鍍過程中的壓力區(qū)域；[40]圖5是示出了對于進(jìn)入所述陽極的兩種不同的氣流，陽極電壓與所述陽極開口的面積的曲線圖，所述開口連接到所述腔內(nèi)；和，[41]圖6是示出了銅陽極和不銹鋼陽極的電壓隨時間變化的比較曲線圖；[42]圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的陽極的截面圖，其中所述陽極連接到電源；[43]圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的鍍膜裝置的示意圖，所述鍍膜裝置有兩個安裝在外部的陽極；[44]圖9是示出了5個連續(xù)鍍膜批次(coating run)中SiO2光學(xué)厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差的曲線圖，所述偏差在一臺不帶陽極的MetaModeTM鍍膜機(jī)中的不同垂直位置測得，所述曲線用黑色和實(shí)心符號線示出，該圖還示出了在具有兩個帶電的陽極的情況下測得的5個連續(xù)鍍膜批次中SiO2光學(xué)厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差的曲線圖，所述曲線用灰色的空心符號示出。
圖10a是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的鍍膜機(jī)的平面視圖，所述鍍膜機(jī)有多個陽極和一個伸長的陰極。
圖10b是圖10a中所示出的鍍膜機(jī)的端視圖，其中所述伸長的陰極是圓柱形的。
圖10c是圖10a中所示出的鍍膜機(jī)的端視圖，其中所述伸長的陰極是平面陰極。
圖11是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的一個優(yōu)選陰極的視圖，所述陰極除了所述靶側(cè)面之外的其它側(cè)面都用電介質(zhì)絕緣體絕緣，所述絕緣層側(cè)面鄰近陽極，所述陽極放置在鍍膜腔中。
圖12是一個陰極的視圖，所述陰極面對著位于所述陰極的視線范圍內(nèi)的不同的相對位置處的襯底的排列。
圖13是本發(fā)明的一個實(shí)施例的側(cè)視圖，其中所述陰極部分地封閉在所述真空腔內(nèi)且有一部分位于所述真空腔的外部；且其中位于所述真空腔內(nèi)的部分的側(cè)面用絕緣材料涂覆，如氧化鋁。
發(fā)明詳述[51]參看圖1a，陽極10以容器或?qū)Ч艿男问绞境觯⒕哂秀~或不銹鋼導(dǎo)電壁12，所述導(dǎo)電壁12在第一末端有一個開口14，所述開口14直接耦合到真空腔并與所述真空腔相互聯(lián)系。所述銅或不銹鋼壁限定所述容器的內(nèi)部或所述容器的內(nèi)體。所述容器的外壁在下面簡稱為外體。所述外體可用適當(dāng)?shù)耐苛贤扛惨允蛊潆姎饨^緣。在所述截面圖中，所示出的水冷卻管16位于所述陽極的周圍，以保持所述陽極在運(yùn)行時的溫度。所示出的進(jìn)氣口18用于提供一個管道，氣體進(jìn)入所述管道之后可進(jìn)入所述陽極腔，以給所述陽極加壓。接地蓋21放置在所述陽極和冷卻管周圍并處于接地勢能狀態(tài)。在運(yùn)行時，用氬氣為所述陽極加壓，在出現(xiàn)適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)火電壓時，所述氬氣促使等離子體的形成，之后，所述氬氣促使電壓的保持。所述陽極10實(shí)質(zhì)上是一種導(dǎo)電容器，且在一個優(yōu)選實(shí)施例中被安裝在所述真空腔上，作為選擇，它可位于所述真空腔之內(nèi)。圖1a所示出的陽極設(shè)計成用低的陽極電壓運(yùn)行且有少量的電弧或沒有電弧。優(yōu)選采用約30伏特的低陽極電壓來減少過程中的變化。
參看圖1b，該圖示出了類似于在圖1a中所示出的陽極，其中所示出的整個陽極體被放置在真空鍍膜腔中，且所述開口14b有一個直徑do，以在所述真空腔中與靶陰極等離子體相互聯(lián)系。所示出的水冷卻管16b具有從外部進(jìn)入所述真空腔的入口和離開所述真空腔的出口。所示出的氬氣口18b與所述陽極相互聯(lián)系并從所述真空腔的外部向所述陽極提供氣體。絕緣體19b確保所述陽極與所述腔壁的電氣絕緣，且所示出的電源在所述陽極與陰極或所述腔內(nèi)的陰極材料之間提供壓差。
圖1c示出了一個可供選擇的實(shí)施例，其中具有銅壁12c的陽極有一個在不同位置的開口14c，該位置在所述圓柱體的側(cè)面上。在此實(shí)施例中，所述陽極可安裝在所述真空腔的內(nèi)部或外部。同時也提供了水冷卻管16c和氬氣口18c。
參看圖7，該圖示出了一種電路，所述電路能夠使所述陽極70進(jìn)行三種不同模式的電氣運(yùn)行。所述開關(guān)72允許在“浮動”、“接地”和“偏壓”運(yùn)行之間進(jìn)行開關(guān)選擇。
在浮動運(yùn)行中，所述陽極與地面之間的勢能由其本身進(jìn)行調(diào)節(jié)。在此情況下，所述陽極電壓取決于所述等離子體阻抗。對于DC濺鍍來講，根據(jù)要進(jìn)行涂覆的材料和要采用的工藝參數(shù)，典型的陽極電壓被測為介于+20V與+55V之間，而所述陰極電壓可在-300V與-700V之間的任何一個值。有時在所述接地與所述陽極之間提供一個電阻，以在破壞性電擊穿或電弧的情況下保護(hù)所述系統(tǒng)。
在接地運(yùn)行模式中，所述陽極連接到腔接地。為了成為所述電子的優(yōu)選回路，所述陽極需要具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它接地腔元件的導(dǎo)電率。將處理氣體加入所述陽極降低所述等離子體對所述陽極的阻抗。
在偏壓運(yùn)行中，所述陽極對所述接地的勢能由電源所確定。+20V到+50V范圍的電壓使所述陽極成為電子的優(yōu)選回路，而同時保持恒定而可重復(fù)的運(yùn)行。
為了將優(yōu)選的浮動模式中的陽極電壓降到最低，要求圖2中所示的最小陽極表面。此外，接地表面對所述等離子體阻抗具有主要的影響，從而影響所述陽極電壓。圖3中的試驗(yàn)結(jié)果表明，對這種具體的工藝參數(shù)設(shè)置來說，最接近的接地表面應(yīng)至少離開25mm。
所述陽極電壓與壓力的相關(guān)性在圖4中示出。所述箭頭表明所述濺鍍壓力并不總是與所述帶電的陽極的最佳壓力相符。
所述最佳的陽極參數(shù)，即面積、陽極接地距離和壓力，推導(dǎo)出這樣的實(shí)施例，其中所述陽極表面是容器或?qū)Ч艿膬?nèi)部。在此優(yōu)選實(shí)施例中，所述陽極包括一個管，所述管的直徑至少為d＝10cm，長度至少為h＝20cm，如圖1所示。
對于低散射膜沉淀工藝來講，所述腔壓力低于2mTorr。在所述陽極的高的壓力通過減小所述陽極10的孔或開口14，并經(jīng)過所述入口18將處理氣體送入所述陽極中來實(shí)現(xiàn)。由于小的孔限制所述等離子體并導(dǎo)致導(dǎo)電率的降低從而導(dǎo)致所述陽極電壓的升高，所以現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)最佳的開口面積約20cm2且優(yōu)選是圓形的。這種關(guān)系在圖5中示出。
所述陽極可用多種導(dǎo)電材料制成。所述陽極材料對所述陽極電壓的影響在圖6中示出。該圖表明銅產(chǎn)生比不銹鋼低2V的陽極電壓。
由于所述陽極可有利地放置在所述真空腔的外部，所以它并不用盡所述真空腔內(nèi)的任何空間且需要更少的真空元件。舉例來講，標(biāo)準(zhǔn)的陽極至少需要另外的電穿通管。圖1所示的陽極10通過圖中所示的絕緣材料19的方式與所述接地腔壁電氣絕緣。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)閮?yōu)選所述陽極能夠有一個自由浮動電壓，這種自由浮動電壓典型地會高于所述接地腔壁的電壓。
有利的是，電氣和水的穿通連接以及氣體管道18能夠從外部安裝。
當(dāng)所述容器陽極用作外部陽極時，所述壁的厚度必須足以禁得起大氣壓力；當(dāng)所述陽極用作內(nèi)部陽極時，只要所述陽極的電阻并不變得過分高，所述陽極可以非常地薄。
在操作時，可將所述陽極加壓到大于3mTorr。預(yù)想所述陽極10可在延長的時間近乎連續(xù)的運(yùn)行；已對所述陽極進(jìn)行了試驗(yàn)，在這種試驗(yàn)中，所述陽極連續(xù)地運(yùn)行了2000小時以上，而并沒有將所述陽極10取出停止運(yùn)行以進(jìn)行清潔或更換，而且也可以相信使所述陽極連續(xù)運(yùn)行10000小時以上是可能的。
雖然在所述陽極的全部或部分位于所述鍍膜腔中時優(yōu)選將所述陽極容器的外部進(jìn)行電氣絕緣，但這也并不是絕對必要的。在所述陽極的外部沒有任何絕緣體的情況下，在所述孔觀察到了陽極等離子體并測得了低的陽極電壓。由于所述陽極的外部在其未被絕緣時可用作陽極，所以它就有可能隨著時間而被涂覆，這樣就改變了所述陽極的位置，從而就會影響位于所述陽極處的濺鍍粒子的分布和速度。因此，優(yōu)選將所述陽極的外部進(jìn)行電氣絕緣。所述外部的絕緣可以是在所述陽極體上面的鍍膜，但作為選擇，也可以是如圖1b所示的另外的覆蓋物21b。所述覆蓋物21b可以接地或浮動。
與已知的用于濺鍍鍍膜的陽極相比，符合本發(fā)明的新穎的陽極有若干優(yōu)點(diǎn)[68]a)根據(jù)本發(fā)明，所述帶電陽極面積或表面在容器的內(nèi)部，所述內(nèi)部實(shí)質(zhì)上保護(hù)所述陽極免受濺鍍材料的影響。這對工藝的穩(wěn)定性非常有好處，因?yàn)樗鲫枠O表面的性能不會在一次鍍膜操作期間內(nèi)改變，因此所述等離子體的位置和導(dǎo)電率也不會在一次鍍膜操作期間內(nèi)改變，而且所述陽極表面的性能、所述等離子體的位置和導(dǎo)電率在從一個鍍膜批次到另一個鍍膜批次時相對恒定。
b)所述小的孔或容器開口進(jìn)一步減少鍍膜材料到達(dá)所述陽極表面的機(jī)會。而且它也很好地限定了所述陽極的位置。
c)所述小的孔或開口，以及氣體入口局部地增加了所述陽極內(nèi)部的壓力從而降低了所述陽極電壓。提供氬處理氣體進(jìn)入所述陽極局部地提高了所述陽極內(nèi)部的壓力進(jìn)而降低了所述陽極電壓，而并不極大地增加所述腔的壓力。
d)所述陽極的大的表面(＞1800cm2)進(jìn)一步降低所述陽極電壓。
e)所述球形或圓柱形陽極增加了所述陽極的體積以及所述陽極的表面之間的距離，并消除了接近于所述帶電陽極表面的接地表面。
f)水冷卻進(jìn)一步增加了所述陽極的穩(wěn)定性。它減少了由于外部溫度變化或所述陽極的過熱所導(dǎo)致的陽極性能的變化，所述陽極的過熱由大的陽極電流所導(dǎo)致。
g)除了來自所述陰極的等離子體之外，本發(fā)明中的陽極一般不需要第二種等離子體以在低電壓條件下運(yùn)行。
應(yīng)注意到，可以設(shè)想許多其它的并不背離本發(fā)明的精神和范圍的實(shí)施例。例如，圖8示出了用于伸長陰極的許多可能的陽極結(jié)構(gòu)中的一個，所述伸長陰極用于MetaModeTM結(jié)構(gòu)中。在此實(shí)施例中，兩個陽極72a和72b對稱地置于長的平面硅陰極74的側(cè)面。利用這種結(jié)構(gòu)替代以前所使用的結(jié)構(gòu)，不同批次之間的變化可以得到改善，從標(biāo)準(zhǔn)偏差σ＝1.64％到0.22％。這在圖9中的曲線圖中示出。
在一篇題為“SiO2和Si3N4的D.C.反應(yīng)濺鍍的陽極電流分布的主動控制”的文章中，對與連續(xù)式(in-line)鍍膜系統(tǒng)有關(guān)的電流分布的控制方法做了描述，該文章由P.Sieck發(fā)表在“表面與鍍膜技術(shù)”第68/69期(1994)第794-798頁，并通過參考合并到本發(fā)明中。
本發(fā)明被認(rèn)為適用于這種和其它的連續(xù)式鍍膜系統(tǒng)；例如，多個陽極的使用被認(rèn)為可用于如此的連續(xù)式鍍膜系統(tǒng)中。舉例來講，前面所述的符合本發(fā)明的中空陽極可以提高由Sieck的文章中所描述的陽極布置方案的性能。通過利用本發(fā)明中的陽極1)所述帶電陽極表面免受鍍膜材料的影響，2)陽極位置受到更好的限定，3)氣體入口受到更好的限定。
根據(jù)所述陰極的長度以及所述機(jī)器中的可用空間，可以沿著所述陰極設(shè)置幾個陽極，可以對這些陽極進(jìn)行電氣控制，或者可以穿過陽極腔對穿過所述陽極的氣流進(jìn)行調(diào)節(jié)，以對沿著所述陰極長度的濺鍍分布進(jìn)行控制。這樣的調(diào)節(jié)可在鍍膜批次內(nèi)在原位進(jìn)行，例如，用來自原位光譜測量的反饋回路。
參看圖10a，該圖是示出了帶有伸長的陰極101的鍍膜機(jī)的平面圖，幾個陽極102到107放置在所述陰極101的周圍。圖10b是圖10a的端視圖，其中所述伸長的陰極101是一種圓柱形的陰極，陽極102和105各自具有獨(dú)立的氣體入口120a和120b。圖10c是圖10a的端視圖，其中所述陰極是一種平面陰極。
除了提供一種新穎的有創(chuàng)造性的陽極之外，對被涂覆的裝置的低缺陷密度的不斷增加的要求需要在所述濺鍍靶上有少量電弧或沒有電弧的陰極，所述被涂覆的裝置諸如濾光器、光鏡和半導(dǎo)體電路。目前可在商業(yè)上得到的陰極以及在現(xiàn)有技術(shù)中所描述的陰極設(shè)計缺乏這種重要的特征，尤其是在所述沉淀速度保持在高水平時。
現(xiàn)已提出了解決這種并不想要的電弧的問題的各種各樣的方法，例如，已知將許多屏蔽設(shè)計置于所述陰極的周圍?，F(xiàn)在也已經(jīng)提出了不同的磁體排列來解決這樣的問題，但這些方法都有其自身的限制和并不希望的副效應(yīng)。
本發(fā)明的一個重要方面涉及提供一種用于在一個或多個襯底上濺鍍鍍膜材料的新穎的有創(chuàng)造性的陰極。而且，這種新穎的陰極可與所述陽極一起使用，所述陰極實(shí)質(zhì)上將任何電弧降到接近于零或?qū)λM(jìn)行涂覆的襯底沒有有害影響的可接受的水平。符合本發(fā)明的陰極連同前面所述的陽極一起提供一種鍍膜系統(tǒng)，這種系統(tǒng)具有高度的可靠性且要求非常少的停機(jī)時間。本發(fā)明所公開的所述陽極和陰極的組合提供一種已知的其它鍍膜腔所不能夠比擬的鍍膜裝置。
在現(xiàn)有技術(shù)中已提出各種各樣的設(shè)計來降低在所述陰極側(cè)面的并不希望的濺鍍；例如，提供電絕緣屏蔽和各種各樣的其它形式的屏蔽，不過，大多數(shù)都并不令人滿意。一種已知的系統(tǒng)在美國專利No.5,851,365中公開。這種類型的系統(tǒng)提供一種暗區(qū)屏蔽，所述屏蔽覆蓋所述靶表面的一部分以免濺鍍到所述靶固定架上。這就會典型地導(dǎo)致大量的涂料沉淀在所述屏蔽的邊緣上。在美國專利No.5,851,365中，對所述屏蔽的形狀做了許多嘗試，但之后發(fā)現(xiàn)一些涂料會聚積且這些涂料會逐漸地落回到所述靶上，從而產(chǎn)生電弧，而所述電弧又會導(dǎo)致被涂覆的襯底上的缺陷的增加。這是個大問題，對預(yù)真空鎖(load-lock)系統(tǒng)來講尤為如此，在這種預(yù)真空鎖系統(tǒng)中，目的就是將所述機(jī)器盡可能長時間地保持在真空狀態(tài)。有了在所述暗區(qū)屏蔽的較低側(cè)面上涂料的聚積和來自所述靶表面上的再次沉淀的材料，所述暗區(qū)本身就減少且來自絕緣材料的濺鍍也會開始，這就會導(dǎo)致實(shí)質(zhì)上的大量的并不想要的電弧。
現(xiàn)已提出了其它的屏蔽解決方法，如美國專利No.5,334,298提供了一種陰極和屏蔽，其中位于腐蝕區(qū)之外的靶的邊緣區(qū)域由所述暗區(qū)屏蔽的延伸部分所覆蓋。在此實(shí)施例中，所述暗區(qū)屏蔽是電氣浮動的并由一個縫隙從所述靶分離，所述縫隙如此大以至于沒有等離子體能夠在所述靶與所述暗區(qū)屏蔽之間點(diǎn)燃。雖然這種布置看上去優(yōu)于其它的布置，但對濺鍍材料有特別要求，因此實(shí)現(xiàn)起來成本很高。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種更好的解決方法，所述方法實(shí)現(xiàn)起來成本并不高，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)這種方法適用于多種濺鍍材料并認(rèn)為優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)中的其它解決方法。
參看圖11，示出陰極130，并帶有陽極140，其中氣體加入到腔中，穿過所述陽極并從所述陰極離開。這就避免了靠近所述陰極的高壓，在此的磁場很強(qiáng)。優(yōu)選所述陽極開口離所述陰極至少2英寸，以使壓力能夠在所述靶區(qū)均勻分布。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)所述陽極電壓對陽極與陰極之間的距離并不敏感。由于本實(shí)施例并未要求暗區(qū)屏蔽，所以這就避免了涂料片從暗區(qū)屏蔽落到所述靶上，所述暗區(qū)屏蔽一般延伸到濺鍍粒子流中。在提供暗區(qū)屏蔽時，所述屏蔽的相對較鋒利的邊也導(dǎo)致電荷的聚積，尤其是在用電介質(zhì)材料涂覆的時候，這也會導(dǎo)致電弧的產(chǎn)生。在此優(yōu)選陰極實(shí)施例中，所述陰極的側(cè)面被電氣絕緣。所述電絕緣142可通過使用絕緣材料或通過使用絕緣鍍膜來實(shí)現(xiàn)。所述電介質(zhì)鍍膜可以是通過等離子體噴涂工藝涂覆的稠密的氧化鋁。所述陰極可通過涂覆KaptonTM帶層來絕緣。作為選擇，所述陰極可以安裝在絕緣材料上，如TeflonTM或陶瓷。作為選擇，所述陰極的側(cè)面可暴露在正常大氣中，這樣空氣就變成了電氣絕緣體。上述技術(shù)的組合可用于將所述陰極絕緣。而且，將所述陰極體橫向延長以減弱超過所述陰極體而延伸的磁場，這樣會減少電弧的產(chǎn)生。通過用等離子體噴涂氧化鋁到延伸的陰極的側(cè)面來將其絕緣，并用TeflonTM板來將所述陰極底部絕緣，將所述電弧速度從＞100電弧/s降到在相同的沉淀速度下的＜0.1電弧/s是可能的。這是解決并不想要的電弧問題的一個非常省錢而又有效的方法。符合本發(fā)明的陰極可用于金屬和電介質(zhì)涂料。所述陰極可由任何電氣模式(RF、DC、脈沖DC、MF、雙陰極-AC、單陰極AC)驅(qū)動。在本說明書中，術(shù)語“鍍膜”用于說明電氣絕緣鍍膜，包括在電氣絕緣材料鍍膜如氧化鋁上的噴涂，或在這樣的鍍膜上的油漆，或?qū)㈦姎饨^緣帶施加在鍍膜上，如KaptonTM帶；作為選擇但并不是最優(yōu)選，用Teflon板覆蓋所述陰極側(cè)面或底部也是可能的，不過在這種情況下，所述板必須鄰近于所述陰極的導(dǎo)電側(cè)壁并與之接觸。
參看圖13，該圖示出了本發(fā)明的一個實(shí)施例，其中所述陰極134部分地放置在處于真空下的真空腔的內(nèi)部，且所述靶136向內(nèi)面對所述腔的內(nèi)部，所示出的陰極的余下部分位于處在大氣壓力下的所述真空腔的外部。在此情況下，所述陰極134通過一個開口插入所述腔的壁中并用密封墊139密封，以保持真空狀態(tài)。位于所述真空腔內(nèi)部的部分的側(cè)壁用電絕緣材料138涂覆。
總之，本發(fā)明提供一種與已知的陽極和陰極不同的、新穎的、像容器一樣的陽極和經(jīng)過涂覆的陰極。雖然單獨(dú)的陽極和陰極被認(rèn)為是新穎的和有創(chuàng)造性的，但它們都有助于提供一種非常有益的鍍膜系統(tǒng)。所示出的實(shí)施例僅是示范性的，且可以構(gòu)想在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)的其它實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.用于材料濺鍍的濺鍍裝置陽極，包括包括至少一個陽極，所述陽極限定了一個容器，所述容器具有一個朝向?qū)щ妰?nèi)體的開口并具有一個外體，所述導(dǎo)電內(nèi)體耦合到電壓源，以提供所述濺鍍材料與所述導(dǎo)電內(nèi)體之間的電壓差。
2.如權(quán)利要求1所述的濺鍍裝置陽極，其特征在于，所述開口位于一端，以與鍍膜腔相互聯(lián)系。
3.如權(quán)利要求1所述的濺鍍裝置陽極，其特征在于，所述開口位于一端，以允許帶電粒子在所述導(dǎo)電內(nèi)體與鍍膜腔中的陰極之間流動。
4.如權(quán)利要求1所述的濺鍍裝置陽極，其特征在于，所述容器有一個接收惰性氣體的入口，所述惰性氣體用于在足夠的電壓出現(xiàn)時點(diǎn)燃等離子體，所述電壓加在所述導(dǎo)電內(nèi)體與陰極之間。
5.如權(quán)利要求1所述的濺鍍裝置陽極，所述濺鍍裝置陽極適于放置在鍍膜腔的外部并與之物理耦合，以使所述容器的開口面對所述鍍膜腔并對其開放。
6.如權(quán)利要求1所述的濺鍍裝置陽極，其特征在于，所述容器的外體由不同于所述容器的內(nèi)體的第一材料組成，且所述第一材料是一種絕緣材料。
7.如權(quán)利要求1所述的濺鍍裝置陽極，其特征在于，所述導(dǎo)電內(nèi)體耦合到開關(guān)，以選擇性地使所述導(dǎo)電內(nèi)體浮動、偏壓或接地。
8.如權(quán)利要求1所述的濺鍍裝置陽極，其特征在于，所述開口實(shí)質(zhì)上小于所述容器的圓周，以使帶電粒子在所述容器的導(dǎo)電內(nèi)體與陰極之間流動，并在實(shí)質(zhì)上阻止涂覆材料沉淀到所述容器之中。
9.如權(quán)利要求1所述的濺鍍裝置陽極，所述濺鍍裝置陽極固定耦合到鍍膜腔的外部，以使在鍍膜操作中，所述陽極作為導(dǎo)電容器，其中帶電粒子在所述鍍膜腔中的陰極與所述容器的內(nèi)部之間流動，以用所述材料將放置在所述鍍膜腔中的襯底涂覆。
10.如權(quán)利要求1所述的濺鍍裝置陽極，其特征在于，所述開口有一個大于10cm2的面積。
11.如權(quán)利要求3所述的濺鍍裝置陽極，其特征在于，在位于所述鍍膜腔的外部的陽極上安裝氣體管線和/或水管線。
12.如權(quán)利要求1所述的濺鍍裝置陽極，其特征在于，所述容器的內(nèi)部實(shí)質(zhì)上是圓柱形或球形。
13.如權(quán)利要求1所述的濺鍍裝置陽極，其特征在于，所述導(dǎo)電內(nèi)體的表面面積至少為300cm2。
14.如權(quán)利要求4所述的濺鍍裝置陽極，其特征在于，所述陽極腔中的壓力與所述鍍膜腔中的壓力相同。
15.如權(quán)利要求4所述的濺鍍裝置陽極，其特征在于，所述陽極腔中的壓力比所述鍍膜腔中的壓力至少高20％。
16.如權(quán)利要求4所述的濺鍍裝置陽極，其特征在于，所述陽極腔中的壓力比所述鍍膜腔中的壓力至少高兩倍。
17.如權(quán)利要求1所述的濺鍍裝置陽極，其特征在于，所述陽極用水冷卻。
18.一種濺鍍裝置包括權(quán)利要求1所述的陽極，還包括第二陽極，所述第二陽極限定了一個容器，所述容器具有一個朝向?qū)щ妰?nèi)體的開口并具有一個外體，所述第二陽極的導(dǎo)電內(nèi)體用于耦合到電壓源，以提供陰極與所述第二陽極的內(nèi)體之間的電壓差。
19.如權(quán)利要求18所述的濺鍍裝置，其特征在于，所述兩種陽極都被電氣耦合到相同的線性陰極。
20.如權(quán)利要求19所述的濺鍍裝置，其特征在于，涂料材料的濺鍍分布通過電氣切換所述這些陽極，和/或單獨(dú)地調(diào)節(jié)流向不同陽極的容器的氣流來進(jìn)行控制。
21.一種濺鍍裝置，包括權(quán)利要求1所限定的陽極；和非常接近于所述陽極并與之相互聯(lián)系的陰極，其中所述陰極的側(cè)面被電氣絕緣，且所述陽極的導(dǎo)電內(nèi)體被到耦合到電壓源，以用于在所述陰極與所述導(dǎo)電內(nèi)體之間提供電壓差。
22.如權(quán)利要求21所述的濺鍍裝置，其特征在于，所述陰極的側(cè)面用電介質(zhì)涂料、絕緣帶、TeflonTM涂料或板、以及陶瓷板，或它們的組合來覆蓋。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種濺鍍陽極，其中所述陽極的形式是容器或?qū)Ч?；且與陰極相互聯(lián)系的導(dǎo)電表面是所述容器或?qū)Ч艿膬?nèi)表面。所述陽極可安裝在鍍膜腔的外部，所述陽極的開口與所述鍍膜腔相互聯(lián)系，或作為選擇，所述陽極可以安裝在所述腔內(nèi)。所述陽極可以具有用于接收惰性氣體的入口，所述惰性氣體用于形成等離子體并用于為所述陽極加壓。
文檔編號C23C14/35GK1737188SQ200510090898
公開日2006年2月22日 申請日期2005年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月20日
發(fā)明者喬治·J.·歐肯法思, 馬克斯·K.·太爾西, 理查德·I.·塞登, 羅伯特·E.·哈恩 申請人:Jds尤尼弗思公司